高应力软岩巷道围岩控制技术研究

王其洲 谢文兵，2 祖梦柯

（1.中国矿业大学矿业工程学院，江苏省徐州市，221000；2.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏省徐州市，221000；3.河南省许昌新龙矿业有限责任公司，河南省禹州市，461670）

高应力软岩巷道围岩控制技术研究

王其洲1谢文兵1，2祖梦柯3

（1.中国矿业大学矿业工程学院，江苏省徐州市，221000；2.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏省徐州市，221000；3.河南省许昌新龙矿业有限责任公司，河南省禹州市，461670）

以郑州矿区某矿地质条件为基础，针对该矿的高应力软岩巷道变形破坏特征进行分析，总结了该类巷道变形破坏原因，提出了高应力软岩巷道围岩控制技术，并进行了现场工业性试验，试验结果表明，该项技术能够有效控制高应力软岩巷道围岩变形。

高应力 软岩巷道 巷道支护 U型钢 结构稳定性

煤矿开采深度逐渐增加，地下井巷工程将位于更高地应力环境之中，尤其构造活动强烈地区，巷道在原岩应力、构造应力和人为扰动的共同影响下，巷道变形破坏严重。为了控制巷道围岩的强烈变形，现阶段大部分矿井主要使用U型钢棚支护、U型钢＋注浆、U型钢棚＋锚杆支护等联合支护技术，但无法有效地控制此类巷道围岩变形。

1 巷道概况

1.1 地质概况

某矿－15东翼带式输送机运输大巷服务年限较长，巷道地面标高＋245.5～＋247.5m。老顶岩性主要是中细粒砂岩，直接顶是砂质泥岩，直接底为泥岩及砂质泥岩，老底以L7－8灰岩为主，煤层倾角大约20°。掘进过程中揭露的地质构造为单斜构造，巷道穿过的3条断层落差均在10m以上，并且巷道上部残存着3＃煤层的煤柱形成的固定支承压力对巷道的围岩稳定性影响较大。

1.2 巷道破坏原因

1.2.1 巷道变形破坏特征

运输大巷采用直墙半圆拱断面，巷道净宽为4200mm，净高3200mm，采用U29型钢棚支护，棚距为800mm，菱形铁丝网配合椽子护帮顶，每棚椽子30根，在巷道顶部和两帮还设有拉杆，柱窝深度100mm。但运输大巷掘出后不久就严重变形，3个月后不得不进行扩修，巷道变形破坏特征如下：

（1）顶板下沉量大。刚扩修过的巷道，U型钢支架拱部已经出现部分压平现象。

（2）顶梁向下滑移使下部卡缆拉断。顶梁与柱体接触处下部叉开推动下部卡缆向上滑移，上部卡缆与中部卡缆滑移到一起。

（3）肩窝出现不对称变形。部分支架左帮肩窝压平，右帮肩窝处出现U型钢压弯内凸的现象。

（4）巷道两帮都强烈内移，内移量达到500 mm以上。

（5）巷道强烈底臌，部分区域底臌量达到300mm。

现场调查表明，现有U型钢支架难以控制巷道围岩强烈变形，为此矿方投入大量人力、物力多次进行修复，每次修复后不久巷道又强烈变形，难以保证巷道的使用断面要求，甚至出现了前修后坏的情况，严重影响矿井的正常安全生产。

1.2.2 巷道变形破坏原因分析

（1）巷道围岩岩性较差。运输大巷围岩以泥岩、砂质泥岩为主，不仅岩块强度较低，而且岩体结构面极为发育，岩体整体强度较低，同时还受断层构造影响，断层破碎带附近巷道围岩更加破碎，原有节理、裂隙扩展，新的节理、裂隙产生，巷道围岩整体强度进一步降低。在构造应力作用下，巷道围岩的稳定性差，巷道围岩应力水平远高于围岩体自身的强度。

大巷中段上部存在3＃煤层的断层保护煤柱造成巷道上方应力集中。该煤柱距离大巷不足10m，在其形成的集中应力的作用下，巷道围岩强烈变形，一般的支护难以控制巷道围岩的强烈变形。在高构造应力和固定支承压力共同作用下，巷道浅部破碎岩体极易产生强烈剪胀变形。巷道掘出后，巷道围岩产生强烈流变，整体变形严重，单纯U型钢支架或锚网索支护难以控制巷道围岩的强烈变形。

（2）支护结构稳定性较差。现有的直墙半圆拱形巷道U型钢支架抗侧压能力较差，理论分析结果表明，顶部拱结构的承载能力远高于帮部的梁结构，而且顶部拱结构的承载能力受两帮梁结构的制约，一旦两帮梁结构产生破坏，顶部拱结构的承载能力随之急剧降低。以U29型钢支架为例说明被动支护的实际承载分布，大量工程实践表明，受巷道掘进爆破质量影响，支架与围岩相互作用关系较差，支架实际承载分布不均匀，支架实际承载能力仅为理论承载能力的1／3～1／5。

（3）支护围岩相互作用关系差。U型钢支架与围岩作用关系差，使得支架大多局部承载，很容易产生扭曲和滑移，支架容易出现“尖顶”型破坏和支架肩窝处出现“平顶”型破坏。

（4）无控底措施。由于未采取控底措施，巷道底板往往成为巷道变形和破坏的突破口。反复卧底使得巷道围岩松动圈发育范围进一步扩大，导致支护承载结构稳定性进一步降低。

2 巷道支护技术方案

2.1 支护技术核心

理论分析可知，不同结构补偿形式下U29型钢支架弯矩分布状况如图1所示。

图1 不同支护组合U型钢支架实际承载分布图

由图1可知，采取U型钢支架＋注浆等措施控制帮脚的内移，提高帮部结构稳定性，能够有效改善支护围岩相互作用关系，实现支架均匀承载，减小支架截面最大弯矩，防止出现局部失稳造成的整体失稳破坏，从而提高巷道支护承载结构整体的稳定性。

针对运输大巷受断层构造影响，围岩极为松散破碎的特点，考虑到该大巷受上覆保护煤柱集中应力影响，采用U29型钢支架作为基本支护，采用壁后注浆改善围岩状态和支护围岩相互作用关系，并根据巷道围岩变形特征和U型钢支架的整体稳定性，采用小孔径高强预应力锚索再合理实施结构补偿，提高U型钢支架的结构稳定性及其承载能力，并采取措施控制底臌，从而有效控制此类巷道围岩的强烈变形。

2.2 支护技术方案

（1）巷道顶板及帮部支护方案。根据运输大巷的使用断面要求，设计的U29型钢支架见图2，U型钢支架的棚距500mm，支架拱部与直腿搭接距离500mm，棚脚埋深200mm，同时棚腿外扎角5°。搭接处采用3副双槽夹板卡缆来固定，即：一副上限位、一副下限位和一副普通双槽夹板卡缆，同时中间普通双槽夹板卡缆位于搭接处中部偏下的位置。

由图2可知，U29型钢支架作为巷道的基本支护，可防止巷道顶板冒落和两帮强烈内移，U型钢支架架好后，首先沿U型钢棚外侧（即槽口侧）均匀铺满一圈菱形金属网背板，金属网挂好后用椽子腰帮接顶，使支架与围岩紧密接触。

由前面分析可知，巷道顶板拱结构承载能力强于帮部梁结构，因此采用小孔径预应力锚索对帮部实施结构补偿，见图3，锚索型号ø18.9mm×5000 mm，材质为1860钢绞线，每根锚索采用4支K2350树脂锚固剂，锚具采用锁芯为两半的锁具。锚索托梁材质为12＃工字钢梁，采用两锚索带一梁、一梁压三棚的补偿方式，具体布置参数见图4。同时采用注浆加固技术提高岩体的自身强度，注浆孔深度为1200mm，间排距为1200mm×1500mm，浆液采用水泥浆，水灰比为0.6∶1～0.7∶1。

（2）巷道底板支护方案。采用金属网＋钢筋梯子梁＋锚杆＋锚索联合支护控制巷道底臌，见图5。首先将底板下落到要求的标高，采用高强度钢筋网护表，钢筋网表面铺设钢筋梯子梁，钢筋梯子梁排距1000mm，钢筋梯子梁的长度4200mm，锚杆采用ø22mm×2400mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，每个锚杆采用2支K2350树脂药卷，锚杆托盘采用120mm×120mm×10mm鼓形托盘；锚索使用ø18.9mm×5000mm的1860钢绞线，每根锚索采用4支K2350树脂药卷，锚索托盘采用400 mm×180mm 18＃槽钢，槽钢梁轴向与钢筋梯子梁轴向平行布置。

3 试验效果

该巷道加固过后，课题组对东翼运输大巷的巷道围岩变形量进行长期跟踪观测，经过近180d的观测，两帮相对移近量为53mm，两帮内移速度0.3mm／d，顶底板相对移近量在30mm左右，顶底板移近速度0.17mm／d，巷道的表面位移量在60d左右围岩变形基本趋于稳定。采用新型支护技术后，围岩总体变形量较小，巷道围岩变形得到有效控制，保证巷道断面满足使用要求。

4 结论

针对郑州矿区某矿的地质条件和巷道变形破坏特征，深入研究分析了高应力软岩巷道破坏原因，研究提出U型钢支架＋锚索＋壁后注浆联合支护技术，通过现场工业性试验得出以下结论：

（1）U型钢支架本身具有高承载能力和适应大变形的特点，能够适应高应力软岩巷道围岩应力状态和变形特点。

（2）小孔径高强预应力锚索有效改善支架实际承载分布，提高支护体两帮结构稳定性和承载能力，发挥支护体整体承载能力。

（3）采用壁后注浆明显改善了巷道围岩状态，增强软岩巷道围岩本身强度，改善支护—围岩相互作用关系。

[1] 陆士良，姜耀东.巷道底臌的机理和防治[J].中国煤炭，1995（8）

[2] 刘高，聂德新，韩文峰.高应力软岩巷道围岩变形破坏研究[J].岩石力学与工程学报，2000（6）

[3] 荆升国.高应力破碎软岩巷道棚－索协同支护围岩控制机理研究[D].徐州：中国矿业大学，2009

Study on surrounding rock control technology of high stress and soft rock roadway

Wang Qizhou1，Xie Wenbing1，2，Zu Mengke3

（1.School of Mine，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China；2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China；3.Xinlong Mining Limited Liability Company of Henan Xuchang，Yuzhou，Henan 461670，China）

The paper is based on the geological condition of the coal mine in Zhengzhou mining area.The basic deformation and failure characteristic of high stress and soft rock roadway is discussed and analyzed.Meanwhile the paper summarizes the reason of deformation and failure characteristic on roadway by theoretical analysis.Then the paper proffers the surrounding rock control technology of high stress and soft rock roadway.After the field experiment，the result proves that the technology can effectively control the surrounding rock deformation of high stress and soft rock roadway.

high stress，soft rock roadway，shaft and drift supporting，U steel，structure stability

TD353

A

王其洲（1986－），男，山东青州人，毕业于中国矿业大学采矿工程专业，现为中国矿业大学在读研究生，主要研究方向为巷道支护。

（责任编辑 张毅玲）